Orientierungsphänomene in magnetischen Flüssigkristall-Hybridmaterialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Joachim Landers; Professorin Dr. Annette M. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492620405

Magnetoaktive komplexe Systeme, die durch die Dotierung strukturierter Matrizes mit magnetischen Nanopartikeln (MNP) entstehen, versprechen vielfältiges Anwendungspotential in der Aktuatorik, Sensorik und für schaltbare Bauelemente. Insbesondere von der Kombination wohldefinierter MNP mit mesogenen und polymeren Matrixbausteinen werden aufgrund ihrer Steuerbarkeit durch externe Stimuli wie Temperatur, magnetische und elektrische Felder neuartige Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erwartet.Im Rahmen dieses Projekts sollen Wechselwirkungen und dynamische Prozesse auf der molekularen, partikulären und makroskopischen Skala in ferronematischen Fluiden und Elastomeren untersucht werden, um den Einfluss lokaler Architektur und der Anknüpfung der MNP an die Matrix zu verstehen und zu optimieren. Es ist das übergeordnete Ziel, eine effiziente magneto-mechanische und magneto-nematische Kopplung in magnetisch dotierten Hybridmaterialien zu erreichen, und ferronematische Elastomere mit feldabhängigen Eigenschaften zu realisieren.Die avisierten Systeme auf Basis siloxan-basierter Polymermatrizes mit flüssigkristallinen Seitengruppen zeichnen sich durch eine Vielzahl experimentell zugänglicher Architekturen aus. Durch die Auswahl der Einzelkomponenten eröffnet sich ein weites Parameterfeld, wodurch eine detaillierte Untersuchung der physikalischen Zusammenhänge auf der Ebene der Partikel-Matrix-Wechselwirkung möglich wird.Um das magneto-nematische Kopplungsverhalten im Detail zu verstehen, und zur gezielten Variation der Kopplungsmechanismen und -stärke, werden sowohl superparamagnetische als auch magnetisch blockierte Nanopartikel verschiedener Form und Größe als Dotierungsagenzien in flüssigkristallinen Fluiden, Polymeren und Elastomeren zunehmend komplexer Architektur eingebaut. Gemäß der prinzipiellen Strategie des Projekts dienen die Partikel dabei als feld-steuerbare aktorische Komponenten und zugleich als Sonden zur Analyse der lokalen Struktur und Dynamik.Für das Verständnis des feldabhängigen Verhaltens der Hybridmaterialien sind die lokalen (magnetisch/geometrischen) Orientierungsphänomene von Partikeln und Mesogenen in Korrelation zu makroskopischen Direktoren wie externen Feldern oder Scherung von besonderer Bedeutung. Um dies im Detail zu untersuchen, erlaubt die Mössbauer-Spektroskopie die simultane Analyse diffusiver Bewegung als auch magnetischer Orientierung der MNP in externen Feldern sowie unter Temperaturvariation. In Kombination mit AC-suszeptometrischen Messungen wird so der Einfluss der lokalen Architektur der Partikelumgebung auf deren Dynamik und Orientierungsverhalten aufgedeckt. Durch den Vergleich mit komplementären Methoden, insbesondere Untersuchungen makroskopischer rheologischer Eigenschaften, der Magnetisierungsdynamik, sowie Röntgen-Klein- und Weitwinkelstreuung, erwarten wir tiefe Einblicke in Ordnungs- und Relaxationsprozesse in den neuartigen Materialien, die für die Optimierung der Systeme von großem Nutzen sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen